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作者：德州儀器 簡介 汽車制造商正積極推動車載高速以太網主干的發(fā)展，采用新興技術趨勢，例如以太網環(huán)形架構以實現冗余，以及時間敏感網絡 (TSN) 和音頻視頻橋接 (AVB)，進而可靠地傳輸時間敏感型數據。 該行業(yè)正面臨對更高帶寬與更快速通信網絡的迫切需求，以便在整車范圍內傳輸安全關鍵型和時間敏感型數據。在下一代區(qū)域架構中，他們正研究以太網環(huán)形架構，以實現冗余設計。同時，他們也在嘗試將更多類型的數據（包括音頻）整合至以太網主干中，以減少線束。 區(qū)域架構通過區(qū)域控制模塊 (ZCM)，將來自各類傳感器與電子控制單元 (ECU) 的數據，傳輸至邊緣節(jié)點通信網絡。隨后，如圖 1 所示，這些 ZCM 會通過主干通信，將匯總后的傳感器數據發(fā)送至中央計算單元 (CCU)。 
圖 1 適用于區(qū)域架構的車載網絡 以太網環(huán)形架構是在現有的高帶寬以太網主干基礎上構建的，通過讓每個節(jié)點同時與兩個相鄰節(jié)點相連，實現了網絡冗余。由于數據可以在順時針與逆時針兩個方向同時傳輸，即使某一條以太網鏈路發(fā)生中斷，CCU 仍能與 ZCM 保持通信。 隨著車載網絡帶寬的提升，主干以太網可傳輸更多類型的數據，例如音頻、雷達和攝像頭數據。在汽車制造商逐步過渡到區(qū)域架構的早期階段，他們主要將車身功能整合進各個區(qū)域模塊中。但理想的區(qū)域架構應當能夠支持跨域應用。音頻是主要目標，這是因為 AVB 標準能夠為音頻數據提供確定性的延遲。將音頻播放功能移入 ZCM 后，由于音頻數據可以通過以太網傳輸，因此可以無需單獨的通信總線。 啟用實時控制和時間敏感型數據 TSN 可確保通過以太網網絡中時間敏感型數據的同步。在車載網絡中增加時間敏感型數據并啟用實時控制，會提升系統(tǒng)對 CCU 與各區(qū)域間高速通信鏈路可靠性的要求。因此，以太網環(huán)形架構提供的冗余支持對 TSN 應用（包括以太網 AVB）非常有利；但需要注意的是，環(huán)形架構并非 TSN 的必需條件，反之亦然。 定義 TSN 的幾項協(xié)議包括： • 電氣電子工程師學會 (IEEE) 802.1AS — 通用精確時間協(xié)議 (gPTP)，提供具有確定性延時、低數據包延遲差異和低數據包丟失的數據同步功能。 • IEEE 802.1Qbv — 流量調度增強。 • IEEE 802.1Qav — 支持 AVB。 雖然以太網環(huán)形架構并非必須使用 TSN，但 TSN 有助于保證低確定性延時。IEEE 802.1AS 定義了一種數據同步方法，精度可達毫秒到納秒級。這種精度水平對以太網環(huán)形架構有益，可在數據包處理與傳輸過程中，通過應用調整和時序補償來抵消偏移延時。此外，IEEE 802.1Qbv 還支持調度流量增強，這有助于對以太網主干數據進行優(yōu)先級管理與調度。 TSN 對于音頻數據是必需的，因為它能夠確保即使路徑延遲不同，車內各位置的音頻播放依然保持同步。IEEE 802.1Qav 定義了 AVB 支持，用于通過以太網傳輸音頻和視頻數據。 以太網拓撲：環(huán)形與星形 許多第一代區(qū)域架構采用星形拓撲，其中 CCU 與每個 ZCM 通過點對點以太網直接連接。因此，每個 ZCM 之間的通信要么通過 CCU 轉發(fā)，要么通過額外的點對點以太網連接，實現從右側 ZCM 到左側 ZCM 的直接區(qū)域間通信。另一種方式是環(huán)形拓撲，即將所有節(jié)點連接成閉環(huán)，使數據可以在環(huán)路中以順時針和逆時針進行雙向傳輸。圖 2 中比較了環(huán)形拓撲與星形拓撲的差異。
圖 2 正常運行中的環(huán)形與星形通信路徑 圖 3 演示了以太網鏈路發(fā)生故障時的兩種拓撲的表現情況。環(huán)形拓撲通過交替的單向以太網保持與所有區(qū)域的通信。此外，環(huán)形拓撲通過雙向同時傳輸數據消除了切換時間，因此即使一條路徑發(fā)生故障，數據也能立即沿另一條路徑繼續(xù)傳輸，這對于 ECU 間安全關鍵型數據的傳輸至關重要。相比之下，當星形拓撲網絡中的某條以太網連接斷開時，與該 ZCM 的所有通信將立即中斷，迫使其進入受限運行模式，并回退至預設的安全狀態(tài)。
圖 3 以太網連接中斷時的環(huán)形與星形通信路徑 以太網環(huán)形架構本身具備冗余特性，而星形架構則需要額外的通信鏈路才能實現同等保護，如圖 4 所示。為每個 ECU 添加重復的通信鏈路（如以太網或 CAN）會增加系統(tǒng)成本和車重。
圖 4 環(huán)形拓撲與星形拓撲中的冗余 以太網環(huán)形架構的一個缺點是，節(jié)點數量增加會導致 ECU 間的端到端延時上升。例如，具有四個節(jié)點的以太網環(huán)形架構的端到端延時比具有三個節(jié)點的以太網環(huán)形架構更高。這種額外延時主要來源于每個 ECU 交換機中的數據包殘留延遲以及數據包復制的軟件延時，如圖 5 所示。
圖 5 軟件中的數據包殘留延遲和數據包復制 表 1 計算了額外延時。
表 1 軟件中殘留數據包延遲和數據包復制導致的以太網環(huán)延時 表 1 假設條件：每秒 2,000 個數據包 (PPS)，1Gbps 以太網，CPU 以 400MHz 運行（單核，負載小于 60%）。 公式 1 將以太網環(huán)形架構的端到端延時表示為： 方程式 1.
其中 A 是交換機中的數據包殘留延遲，B 是數據包復制的軟件延時。 以太網環(huán)形架構實施 以太網環(huán)形架構的實施需要在每個節(jié)點上配置微控制器 (MCU)、以太網交換機以及兩個以太網物理層 (PHY)。MCU 負責對數據進行封裝與解封裝，將其他數據包轉換為以太網數據包，反之亦然。以太網交換機提供硬件卸載支持，包括數據包的轉發(fā)、復制、環(huán)路終止以及重復數據包的檢測與丟棄等功能，這些均遵循 IEEE 802.1cb 標準（如果硬件不支持，也可通過軟件實現）。目前存在三種不同的實施選項，如圖 6 所示。 • 具有外部以太網交換機和外部以太網 PHY 的 MCU。 • 具有集成式以太網交換機和外部以太網 PHY 的 MCU。 • 帶有集成式以太網 PHY 的外部以太網交換機的 MCU（也可將外部 PHY 與集成 PHY 結合使用）。
圖 6 以太網環(huán)形硬件實施選項 在選擇不同的硬件實施時，需要考慮成本、應用與延時。通常情況下，集成式交換機的成本低于外部交換機。區(qū)域控制器通常只需五個或更少的以太網連接即可與其他高速 ECU（例如 ZCM、CCU 和雷達模塊）進行通信。然而，大多數可用的以太網交換機都配備了八個或更多端口，當系統(tǒng)僅需五個或更少端口時，這會造成系統(tǒng)成本的增加。 支持 IEEE 802.1cb 等高級協(xié)議的硬件加速型以太網交換機（無論是集成式還是外部），能夠顯著降低延時；相比之下，基于軟件實施的方案通常會增加約 20μs 的延時。同時，具備 IEEE 802.1Qbv 功能的交換機還能通過優(yōu)先級隊列優(yōu)化流量調度，進一步減少延時。TI 提供多種 MCU，支持通用平臺交換機 (CPSW)、IEEE 802.1Qbv 以及類似于 IEEE 802.1cb 中的功能。 圖 7 展示了使用具有集成 CPSW 和外部以太網 PHY 的 TI MCU (AM263P4-Q1) 的以太網環(huán)形實施。
圖 7 使用 AM263P4-Q1 的以太網環(huán)形實施 以太網環(huán)形實施過程從 MCU 內的數據封裝開始，如階段 1 所示。這些數據可以包括來自 CAN、局域互聯(lián)網絡、其他汽車接口的高優(yōu)先級車輛數據、音頻數據以及非保證服務流量。在階段 2，系統(tǒng)在兩個以太網端口對數據包進行復制，以順時針和逆時針兩個方向發(fā)送數據；這一復制可通過軟件或硬件完成，具體取決于交換機的能力。AM263P4-Q1 能夠通過硬件實現這一點。 在階段 3，當節(jié)點接收到的數據的目標媒體訪問控制 (MAC) 地址與 PHY 的 MAC 地址不匹配時，以太網交換機會將該數據包轉發(fā)到環(huán)形中的下一個節(jié)點。在階段 4，目標節(jié)點會通過軟件或硬件丟棄重復的數據包，使 ZCM 無法處理從兩個方向到達的相同數據包。環(huán)形終止也與重復數據包抑制協(xié)同工作，以防止環(huán)形內的冗余幀無限循環(huán)。 TI 的 AM263P4-Q1 MCU 非常適合以太網環(huán)形應用，因為其 CPSW 在硬件中實現了數據包復制，從而使得在 1Gbps 以太網條件下端到端延時最多可減少約 69μs。表 2 比較了基于軟件與基于硬件的數據包復制在各階段的延遲，假設每秒 10000 個數據包且載荷為 1500 字節(jié)。 表 2 軟件與硬件中存在數據包復制延時
使用 AVB 將音頻播放添加到以太網主干中 盡管 AVB 并不要求使用環(huán)形架構，但環(huán)形架構提供的冗余可讓更多數據安全地通過 ZCM。AVB 的出現早于 TSN，最初專注于音頻應用，隨后擴展為支持更廣泛數據類型的 TSN。如今，AVB 通常指面向音頻的 TSN 應用，通過以太網傳輸音頻數據包，將音頻播放分發(fā)到各個區(qū)域模塊。主要的 AVB 協(xié)議包括： • IEEE 802.1BA — 用于架構和配置文件的 AVB 框架。 • IEEE 802.1Qav – 時間敏感型網絡的 AVB 流量調度。 • IEEE 1722 – AVB 傳輸協(xié)議。 音頻播放需要以設定的采樣速率向音頻放大器傳輸音頻數據。為了在多個區(qū)域同時播放音頻，每個區(qū)域必須保持時間對齊，以避免因相位錯位造成的音頻保真問題。AVB 通過補償以太網網絡中數據包延時的差異，可確保 ZCM 間音頻播放保持一致且時間對齊。 區(qū)域架構中的音頻 通常情況下，車輛會處理四種類型的音頻數據： • 通過麥克風捕捉的人聲，用于免提通話。 • 通過路面?zhèn)鞲衅骰螓溈孙L捕捉的噪聲，用于主動降噪 (ANC)。 • 在車內揚聲器播放的音頻，用于娛樂系統(tǒng)和 ANC。 • 在混合動力汽車和電動汽車外部揚聲器播放的音頻，用于聲學車輛警示系統(tǒng)。 目前典型的音頻解決方案通常使用獨立的專有音頻總線或模擬信號在車輛內部傳輸音頻數據。而以太網 AVB 則是一種非專有解決方案，通過利用現有以太網主干，將音頻播放數據從 CCU 傳輸到各區(qū)域模塊，從而減少布線。在以太網總線上，車內揚聲器音頻播放是首個被采用的音頻數據類型。圖 8 展示了其實施方法。
圖 8 四種潛在的音頻播放解決方案 圖 8 中的第一個示例展示了獨立于車輛架構的傳統(tǒng)音頻總線網絡。所有的聲音采集數據都通過數字音頻總線傳輸；CCU 或數字座艙 ECU 負責處理娛樂系統(tǒng)音頻數據，而外部放大器模塊則負責數字信號處理及揚聲器輸出。該架構的主要缺點是從外部放大器模塊到揚聲器的布線較長。 圖 8 中的第二個圖演示了在區(qū)域架構下使用獨立音頻總線的音頻實施。聲音采集數據仍通過數字音頻總線傳輸至 CCU 進行數字信號處理。隨后，音頻播放數據從 CCU 通過數字音頻總線傳輸到 ZCM，再由 ZCM 放大并輸出到揚聲器。這種方法由于音頻放大器位置靠近揚聲器，縮短了揚聲器布線長度；但同時，音頻總線變得更加復雜。 圖 8 中的第三個圖和第四個圖展示了 AVB 音頻播放實施。數字信號處理仍在 CCU 中進行，但音頻播放數據通過以太網傳輸。這種方法既適用于星形拓撲，也適用于環(huán)形拓撲；其中，環(huán)形拓撲為音頻數據提供了額外的冗余保障。此方法同時簡化了音頻總線設計，并保持揚聲器布線較短。 在 ZCM 中實施 AVB 通常情況下，以太網網絡包括 MCU、以太網交換機和以太網 PHY，且這些元件之間通常需要一定程度的集成。這些元件通過以下方式實現媒體時鐘同步 (圖 9)： • 以太網 MAC。 • 以太網 PHY。 • IEEE802.1AS (gPTP)。 • IEEE1722 媒體時鐘恢復。 • 媒體時鐘生成。
圖 9 媒體時鐘同步解決方案示意圖 以太網 PHY 負責傳輸和接收以太網數據包。以太網 MAC 通過封裝和解封數據包來管理數據傳輸。gPTP 協(xié)議可在所有網絡器件間同步本地時鐘，以保持一致的時間基值。IEEE 1722 媒體時鐘恢復使用以太網數據包中的嵌入式時序信息來調整音頻媒體時鐘：一種是稱為幀同步 (FSYNC) 的音頻采樣時鐘，而另一種是音頻數據串行器比特時鐘 (SCLK)。 圖 10 展示了 AVB 實施的可能元件圖。
圖 10 在 MCU、以太網交換機和以太網 PHY 中實施媒體時鐘同步 TI 采用 DP83TG721-Q1，其集成了媒體時鐘恢復功能，可根據輸入的以太網流重新同步本地媒體時鐘。該 PHY 在硬件層面生成音頻采樣率的媒體時鐘 (FSYNC) 以及音頻數據串行器比特時鐘 (SCLK)。PHY 硬件還負責管理音頻數據包的呈現時間。AM263P4-Q1 MCU 通過其可編程實時單元模擬 I2S 音頻數據，從而與 TAS6754-Q1 音頻放大器進行通信。圖 11 展示了此解決方案。
圖 11 使用 AM263P4-Q1、DP83TG721-Q1 和 TAS6754-Q1 的 TI AVB 解決方案 表 3 列出了適用于以太網環(huán)形架構和 AVB 的協(xié)議。 表 3 適用于以太網環(huán)形架構和 AVB 的協(xié)議列表
結語 隨著汽車制造商向集中式架構遷移，可靠、高效且可擴展的網絡架構變得愈發(fā)重要。通過實施以太網環(huán)形架構，可在 ZCM 與 CCU 之間提供冗余數據流，從而提升車載網絡的可靠性。此外，TSN 支持將各種數據流（包括通過 AVB 傳輸的音頻）集成到以太網主干上，從而優(yōu)化網絡布線成本。 |
